Механическая прочность. Паяные соединения могут подвергаться различного рода нагрузкам, таким, как растяжение, сжатие, срез, удар и усталостное нагружение. В настоящем разделе описано влияние различных факторов на механическую прочность паяных соединений.

Соединительный зазор. Соединительный зазор оказывает непо­средственное влияние на механическую прочность паяных соедине­ний вне зависимости от характера нагружения. Величина соеди­нительного зазора определяет толщину слоя припоя в паяном шве и является определяющим фактором для получения максимальной прочности соединения.

Соединительный зазор измеряется между внутренними плоско­стями собранного для пайки соединения. Однако зазор следует измерять в определенных условиях, т. е. при нормальной температуре или при температуре пайки. В случае однородных металлов пример­но одинаковой массы зазор, измеренный при нормальной темпера­туре непосредственно перед пайкой, является удовлетворительным показателем. При пайке двух разнородных металлов металл с бо­лее высоким коэффициентом термического расширения может иметь тенденцию уменьшать или расширять соединительный зазор в зави­симости от относительного расположения и конфигурации деталей из этих металлов. Таким образом, когда производится пайка разно­родных металлов (или однородных металлов с большой разницей в массе) соединительный зазор следует устанавливать с расчетом на температуру пайки и пригонку зазора производить при нормаль­ной температуре так, чтобы при температуре пайки зазор достиг требуемой величины.

Удобным показателем величины зазора при температуре пайки является толщина припоя в окончательно выполненном - соединении при условии, что в процессе пайки не имела место значительная диффузия. Толщину припоя в соединении можно измерять в попе­речном сечении шва.

Иллюстрацией влияния соединительного зазора (измеренного на окончательно спаянных соединениях) на прочность шва может служить паяное соединение углеродистой стали. На фиг. 18 показа­на зависимость предела прочности на срез соединения, спаянного серебряным припоем BAg-І с применением флюса, от величины соединительного зазора. Кривая может быть выражена более или менее резко, чем это показано на фиг. 18. Однако обычно считает­ся, что для каждого отдельного припоя в сочетании с основным металлом имеется оптимальный диапазон значений зазора, при ко­торых получаются наиболее прочные соединения.

Табл. 6, в которой указана величина зазора для ряда групп припоев, можно принять в качестве рекомендации при конструиро­вании паяных соединений, дающих максимальную прочность.

Припой по спецификации AWS — ASTM	Соединительный зазор* мм
Группа BAlSi	0,150—0,250 при нахлестке менее 6,5
	0,250—0,625 при нахлестке более 6,5
Г руппа ВСиР	0,025-0,125
Группа BAg	0,05-0,125
Группа ВСиАи	0,05-0,125
ВСи	0 до 0,05**
Группа BCuZn	0,те—0,125
BMg	0.1-0,25
BNiCr	0,05—0,125
BAgMn	0,05-0,125

Таблица 6

Рекомендуемые соединительные зазоры при температуре пайки

* В случае круглых или трубчатых деталей зазор измеряется на радиусе. ** Максимальная прочность получается при зазоре, равном нулю или при натяге.

Если устанавливать зазоры меньше, чем рекомендуемые в табл. 6, то прочность паяного соединения может значительно пони­зиться вследствие образо­вания незаполненных при­поем пустот, флюсовых включений и других фак­торов. Большие зазоры легче получаются при ме­ханической обработке, но они сильно ослабляют паяное соединение и тре­буют расходования лиш­него припоя.

Размеры соединитель­ных зазоров, указанные в табл. 6, следует поддер­живать при температуре пайки. В зазорах, уста­новленных при нормаль­ной температуре, следует предусматривать допуск (запас) на расширение при высоких тем­пературах пайки.

При пайке разнородных материалов рекомендуется проверять их коэффициенты термического расширения, в особенности в диа­пазоне температур пайки, так как могут возникнуть затруднения, к которым относятся следующие:

1) когда одна деталь припаивается внутри другой, то расшире­ние этой второй детали может быть таким, что при температуре пайки будет достигнут плотный контакт соединяемых поверхностей.

■Фиг. 19. Типовые соединения пайкой.

В этом случае соответствующие зазоры, рекомендуемые табл. 6, поддерживаться уже не могут, в соединение войдет очень мало (если вообще войдет) припоя и образуется только валик. Переста­новка паяемых деталей может привести к обратному положению — увеличению зазора — и предотвратить действие сил капиллярного притяжения;

2) если принять во внимание, что припой все же входит в соеди­нение, то большее сужение второй детали приведет к разрушению припоя в шве во время охлаждения.

Распределение напряжений. На фиг. 19 показаны типовые пая­ные соединения, обеспечивающие нормальную механическую проч-

кость. Необходимо помнить, что во всех случаях, где возможно, предпочтение следует отдавать соединениям внахлестку. Стыковые и скошенные соединения применяются лишь в том случае, когда соединения внахлестку выполнить нельзя вследствие ограниченной площади.

Конструкция паяного соединения должна быть такой, чтобы предотвращать концентрацию напряжений, вызывающих разруше­ние. Это часто достигается путем увеличения податливости (умень­шения жесткости) тех деталей узла, которые могут служить нача­лом разрушения соединения.

На фиг. 20, а—е показаны правильные и неправильные конструк­ции паяных соединений для характерных видов нагрузок (показаны

Фиг, 21. Способы размещения припоя в виде проволоки.

стрелками). Соединения на фиг. 20, ж; предназначены для вибра­ционных или знакопеременных нагрузок. В этом случае собранные детали должны дополнительно поддерживаться накладками, при­паянными сверху и снизу собранного узла.

Внешняя подача и предварительное размещение припоя. Очень важным фактором конструирования паяных соединений является способ размещения припоя в соединении. Поэтому конструктор дол­жен знать, какой способ пайки будет наиболее целесообразен.

Обычно, когда пайка производится вручную, то припой приса­живается с внешней стороны и это не вызывает никаких затрудне­ний. Однако при большом количестве подлежащих пайке деталей, требующем применения механизированного или автоматического оборудования для пайки, или в специальных случаях может потре­боваться предварительная укладка припоя. Это необходимо при-' нимать во внимание при конструировании соединений.

Припой можно предварительно укладывать в виде проволоки* полос, шайб, порошка и др. Наиболее часто применяются проволо­ка и полосы. Некоторые припои можно также наносить на соеди­нения разбрызгиванием подобно процессу, применяемому при металлизации. На фиг. 21 приведены случаи возможного примене­ния припоя в виде проволоки. Следует отметить, что паз или выем­ка, прорезаемые в основном металле для укладки припоя в виде проволоки, как это показано на фиг. 21, бив, всегда выполняются в детали, имеющей большее сечение.

Припой растекается из пазов и распространяется по всему со­единению, как это показано на фиг. 22. При подсчете механической

прочности паяного узла площадь прорезанного паза необходимо вычитать из площади паяного соединения.

В конструкциях соединений, где припой укладывается в виде шайб или тонкой плоской полосы, очень важно, чтобы паяемые детали перемещались относительно друг друга во время плавления припоя. В этом случае излишнее количество припоя и флюса выжи- ■ мается из соединения применением надлежащего давления во время процесса пайки (фиг. 23).

Электропроводность. При конструировании паяных со­единений, предназначенных для токопроводящих изделий, важным

фактором является их электро­проводность. Если соединение сконструировано правильно, то при включении в электроцепь оно не должно повышать элек­тросопротивления.

Установлено, что припои обычно имеют низкую электро­проводность по сравнению с медью. Например, электропро­водность меднофосфористого припоя ВСиР-5 составляет примерно 10% от электропроводности меди, а серебряный припой BAg-б со­ставляет 24,4% от электропроводности меди. Для того чтобы пая­ное соединение не повышало сопротивления электроцепи, необхо-

димо при пайке устанавливать зазор в соответствии с табл. 6. Бо­лее короткий путь, через припой в шве по сравнению с более длин­ным путом через провод пренебрежимо мало увеличивает общее со­противление электроцепи [12].

На фиг. 24 показан медный токопровод, спаянный меднофосфо­ристым припоем ВСиР-5 при соединительном зазоре 0,125 мм, как это рекомендуется согласно табл. 6.

С практической точки зрения следует признать, что при пайке будет иметь место некоторое количество пустот, которые сократят эффективную площадь пути прохождения электрического тока,

вследствие чего там, где допускает конструкция, рекомендуется применять соединения внахлестку.

Длина нахлестки, равная 1,5 толщины более тонкой части со­единения, даст сопротивление примерно равное сопротивлению цельного медного токопровода (фиг. 25). Применение такого спосо­ба соединения дает хорошие результаты. Если это необходимо для удобства пайки или других каких-либо целей, можно применять нахлестку с большим перекрытием.

Фиг. 24. Паяный шов в элек - фиг. 25. Оптимальная нахлестка тропроводах. для соединения электрических то-

копроводов.

■ Герметичность. При сборке герметичных узлов следует применять пайку внахлестку (или скошенные соединения). Такие соединения не только гарантируют самую высокую прочность шва, но обеспечивают также большую площадь пайки, что уменьшает возможность просачивания через соединение.

На фиг. 26 приведено несколько примеров пайки герметичных конструкций.

Важным фактором при конструировании паяных узлов или агре­гатов, предназначенных для работы под давлением или в вакууме,

является обеспечение надлежащего выхода припоя или так назы­ваемой «вентиляции» шва.

При нагреве в процессе пайки воздух или газ, находящийся внутри закрытого сосуда или уіла, расширяется так быстро, что если сосуд хорошо не вентилируется (не открыт для воздуха), то может произойти выпучивание стенок сосуда. В то же самое время давление может воздействовать на припой, входящий в зазор, и свести к минимуму действие капиллярного притяжения (фиг. 27).

Глухие отверстия можно считать маленькими контейнерами, где во время пайки создается давление. На фиг. 28 представлены раз­личные конструкции соединений с вентиляционными отверстиями для отвода давления, создаваемого при нагреве во время пайки.

Фиг 28. Вентилирование несквозных паяных соединений во время пайки.

Работа паяных соединений при повышенных температурах. Легко понять, что правила в отношении мак­симальных рабочих температур, которые будут претерпевать пая­ные соединения, представляются очень сложными при применении столь большого количества припоев и основных материалов. При этом действие максимальных температур может быть продолжи­тельным или коротким. Все это является причиной того, что данный вопрос может быть освещен только в общих чертах. Прочность всех металлов и сплавов понижается при увеличении температуры нагрева; припои не являются исключением в этом отношении. По­этому можно ожидать, что паяные соединения будут также сни­жать свою прочность при повышении температур.

К сожалению, имеется мало данных по прочности паяных соеди­нений при повышенных температурах при кратковременных испы­таниях на разрыв, и еще меньше данных по испытаниям на ползу­честь и разрушение при длительном нагружении. При разработке конструкции с паяными соединениями, рассчитанной на работу при повышенных температурах, необходимо производить расчет на максимальную нагрузку, выдерживаемую соединением. Испытание пробных соединений в действительных условиях эксплуатации является единственным надежным методом, по результатам которо­го можно судить о сроке службы паяных соединений.

В табл. 7 указаны максимальные рабочие температуры для различных припоев. Следует отметить, что две температуры указы­ваются из условий назначения конструкции. При выборе припоя и основного материала необходимо учитывать такие факторы, как среда, в которой будет работать соединение, напряжение, продол­жительность работы и температура. В тех случаях, когда нагрузка

Припой по специфика­ции AWS — ASTM	Рекомендуемая предель­ная рабочая температура для продолжительной работы в °С	Рекомендуемая макси­мальная рабочая тем­пература в °С
Группа ВСиР	150	150
Группа BAg	205	260
Группа BCuZn	205	260
ВСи	205	480
BAgMn	260	480
BNiCr	540	1095

и продолжительность процесса пайки позволяют, применяются максимальные рабочие температуры.

Отрицательные (ниже нуля) температуры. Приведенные данные показывают, что на прочность паяных соеди­нений при разрыве, срезе и испытании на удар низкая рабочая температура до —73° С значительного влияния не оказывает. Если имеется сомнение, то проводят испытания на пробных образцах для определения времени, температуры и напряжения, которые может выдерживать соединение в условиях эксплуатации.